La fosforescenza è l’emissione ritardata di luce da parte di una sostanza dopo esposizione e rimozione di una radiazione eccitante. È un tipo specifico di fotoluminescenza correlata alla fluorescenza. Il termine fluorescenza fu coniato dal fisico e matematico irlandese da Sir George Stokes nel 1852
Ci sono tre forme principali di luminescenza: fluorescenza, fosforescenza e chemiluminescenza. La fluorescenza e la fosforescenza sono due forme di fotoluminescenza. Nella fotoluminescenza, il bagliore di una sostanza è attivato dalla luce, in contrasto con la chemiluminescenza, dove il bagliore è causato da una reazione chimica.
Sia la fluorescenza che la fosforescenza si basano sulla capacità di una sostanza di assorbire luce ed emettere luce di lunghezza d’onda maggiore e quindi energia inferiore. Tuttavia la differenza principale è il tempo.
Infatti nella fluorescenza l’emissione è sostanzialmente immediata e quindi generalmente visibile solo se la sorgente luminosa è continua. Il materiale fosforescente, invece, può immagazzinare l’energia luminosa assorbita per qualche tempo e rilasciare luce successivamente, provocando un bagliore residuo che persiste anche quando non è più colpito dalla radiazione.
A seconda del materiale, questo bagliore residuo può durare da pochi secondi a un tempo maggiore.
Luminescenza
In generale, tutti i tipi di luminescenza si basano su processi fotofisici di molecole fluorescenti come la fluoresceina o la curcumina. Tuttavia, per spiegare tali processi bisogna scendere a un livello atomico.
Atomi di elementi diversi hanno un numero diverso di elettroni distribuiti in diversi gusci e orbitali. Quando il sistema assorbe energia, gli elettroni sono eccitati e portati in uno stato energetico superiore.
A seconda della molecola e dell’atomo, gli elettroni possono occupare solo livelli energetici discreti poiché l’energia è quantizzata, il che significa che l’energia può essere assorbita ed emessa solo in determinate quantità.
La differenza di energia tra due livelli rispettivamente E1 e E2 è data da:
ΔE = E2 – E2
Dove E è pari a:
E = hν dove h è la costante di Planck e ν è la frequenza della luce.
La frequenza della radiazione è correlata alla lunghezza d’onda tramite la relazione ν = c/ λ dove c è la velocità della luce che è pari a 3.00 ∙ 108 m/s.
È quindi possibile calcolare la frequenza e la lunghezza d’onda necessarie perché si verifichi una transizione elettronica per far avvenire la quale, in molti casi, è richiesta la frequenza di una radiazione U.V.
Meccanismo della fosforescenza
Lo spin di un elettrone è una quantità che descrive un momento angolare meccanico classico basato sul movimento rotazionale di una massa.
Lo spin di un elettrone può assumere valore + ½ e – ½ . Secondo il Principio di esclusione di Pauli se due elettroni si trovano nello stesso orbitale hanno spin antiparalleli e quindi si trovano in uno stato di singoletto (So). A seguito della promozione a uno stato eccitato l’elettrone mantiene il suo spin e si trova in uno stato eccitato di singoletto (S1) in cui le orientazioni rimangono antiparallele.
La interconversione rapida che avviene in un tempo tre 10-11 e 10-6 secondi dallo stato S1 a quello di tripletto T1 energeticamente favorito porta all’inversione dello spin. Gli stati di tripletto sono caratterizzati da spin paralleli di entrambi gli elettroni e sono metastabili.
Il rilassamento avviene tramite la fosforescenza si traduce in un’altra variazione dello spin dell’elettrone. Il ritorno allo stato fondamentale di singoletto (So) può verificarsi dopo un notevole ritardo. Inoltre, più energia è dissipata durante questo tipo di rilassamento fosforescente rispetto a quello che si verifica nella fluorescenza. Quindi la differenza di energia tra il fotone assorbito ed emesso è maggiore e lo spostamento della lunghezza d’onda più pronunciato.